顶管技术在水利工程施工中的应用研究

胡 志

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330038)

顶管施工技术是一种始于19世纪末的表土层地下工程的非开挖施工技术，具有很多其他开挖技术所不具备的优点，能穿越地面建筑物、道路、河流以及位于地表以下的各种管线等，对地面的扰动小。顶管施工一般包括工作井、推进系统、注浆系统、定位纠偏系统以及辅助系统等，采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作为承压壁，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至到达目的地[1- 5]。

王晓峰等[6]依托我国某城市地下综合管廊项目，对顶管技术在市政工程建设中的关键技术、重要参数及应用前景展开了深入探讨，并认为其在综合管廊工程中具有宽阔的应用前景。丘庆辉[7]以我国某水利堤坝工程为例，通过探讨在该工程中顶管技术的应用情况及关键工艺，认为顶管技术具有节约工期的特殊优势。黄必成[8]以莆田市东圳灌水区排水涵管工程为依托，根据东圳灌区涵管施工实际情况，分析了施工准备、工艺流程、总推力复核和控制难点等内容，为顶管技术在灌区涵管施工中得以推广使用提供一定科学依据。

顶管技术在各种工程领域，如水利工程，均得到了很好的应用[9- 15]，研究其在水利工程中的应用有助于解决施工中遇到的技术难题，以及带来巨大的经济效益。本文以某水利工程为背景，介绍顶管施工技术的实际应用，对其他工程具有借鉴意义。

1 工程概况

某水利引水隧洞工程全长1015m，隧址区地形相对平缓，入口处岩体风化程度较高，以侏罗纪角砾岩为主，裂隙发育，岩体较为破碎；洞身段以黏性土和砂性土为主，黏土具有低液限、结构较密实等特点，砂土较为松散。部分线路穿越区域有较多构筑物，地下水较丰富，对于施工过程中地面沉降的要求较高。将线路分成三部分，设置两座顶进井和两座接收井，由两座顶进井向接收井顶进，以顶进距离为357m的顶进段为例，此段顶管埋深在7.57～10.95m之间。

2 施工设计

综合考虑隧址区所处位置土层的性质、水文地质条件、附近地上及地下建筑物和其他因素后选用顶管施工技术。顶管口径为DN2200mm，采用泥水平衡式顶管机，这种顶管机具有平衡效果好、施工速度快、对土质的适应性强等特点，操作人员不必进入管道，采用激光连续测量管道轴线和标高，能及时纠偏，很好地控制顶进质量。顶管材料选用钢筋混凝土，管材允许顶力经测定为16000kN。

(1)工作井施工

工作井包括顶进井和接收井，其中顶进井又叫始发井，为顶管掘进的出发处，在顶进井中有用于顶进的千斤顶、顶铁、导轨等设备，在顶进井的外面还应设置起吊运输设备，用于起吊开挖出来的土等[5]。相比于顶进井，接收井结构和布置的设备相对简单，用于接收顶管机和工具管等。工作井选用矩形形状，构筑方式采取沉井的施工方式。工作井的尺寸由下式确定：

L=L1+L2+L3+L4+L5

(1)

B=D1+S

(2)

H1=h1+h2+h3

(3)

H2=h1+h3+h4+h5

(4)

式中，L—工作坑长度；B—工作坑宽度；L1—管节顶进后，尾端压在导轨上的最短距离；L2—管节长度；L3—输土工作长度；L4—后座墙厚度；L5—顶镐机长度；D1—管道外径；S—操作宽度；H1—顶进井深度；H2—接收井深度；h1—地面到管底外缘深度；h2—管底外缘至导轨底高度；h3—坑基础厚度；h4—管壁厚度；h5—顶管机进入井内支撑垫板厚度。

最终确定顶进井长度为7.5m、宽度为5m、深度为10m，接收井长度、宽度均为5m，深度为8m。沉井施工前应该做好充分的施工准备，地点的选取要合理，避免选择一些不利于施工的地点，在沉井周围布置降水点以防止施工过程中出现塌方。沉井开挖时从中间向四周均匀开挖，每层开挖半米左右，开挖出来的土应及时清理。沉井的施工顺序和施工示意图如图1—2所示。

图1 沉井施工流程图

图2 沉井下沉示意图

将工作井后方的墙壁作为后座墙，而不必单独浇筑钢筋混凝土墙，在后座墙与千斤顶之间还设置了厚度为350mm的钢后靠，顶进过程中的作用反力通过钢后靠均匀传递到后座墙，最后传递到后方土体中。因此，要综合考虑后座墙和后方土体所能承受的最大压力，将其与顶管所能承受的最大顶力的最小值作为临界顶力，防止顶进过程中超出临界值。此外在井壁施工前在沉井周围预留注浆孔，通过注浆的方式对井壁四周的土体进行加固处理，防止在顶进过程中后座墙发生位移或者隆起。沉井分段下沉，下沉过程中用经纬仪等监测偏差，若产生偏差应及时纠正，当下沉到距离设计标高2m时应加强监测，距离1m时采用人工缓慢挖掘直至下沉至设计标高，防止超沉。

(2)顶管施工设计

在施工前应根据现场工程地质情况及相关规范计算顶管的使用荷载和施工荷载，其中使用荷载包括垂直土压力、水平土压力、侧向抗力以及管道自重等，施工荷载包括顶进中的摩阻力F1和迎面阻力F2。由于顶进距离较长，为减少顶进过程中的摩阻力从而更好地顶进，采用膨润土作为润滑材料，将其通过注浆孔注入土层中。注浆孔的布置为每隔4节设置一处注浆断面。注浆之后的施工荷载可按式(5)、式(6)计算。

F1=f1πDl

(5)

(6)

式中，f1—单位摩阻力，软土中一般可取8～12kN/m2；D—管道外径；l—全部顶进长度；Dj—顶管掘进机外径；Pt—机头底部DT/3处的被动土压力。

计算得出的摩阻力和迎面阻力分别为12500kN和15266kN，顶进井的允许顶力为35000kN。在顶进过程中，顶力不能超过管材的允许推力和后座墙的允许推力。顶管施工的流程图如图3所示。

图3 顶管施工流程图

顶管采用泥浆平衡土压力和水压力以保证开挖面的稳定性，因此，要根据开挖面地质情况适当调节泥浆的稠度。刀盘前方的水压力和土压力之和应该与泥浆压力达到相对平衡，以避免工作面塌陷或者地表隆起。对于泥水的性质要有充分的了解，加强对其各个方面的管理，泥浆的流速要控制在临界流速以上，以防止泥浆在管道中沉淀下来而造成管道的堵塞，泥浆的临界流速可由式(7)确定。

(7)

式中，VL—水平管内固体颗粒的临界流速，m/s；FL—由固体粒径与浓度决定的系数，对于砂土，FL=1.33～1.36；g—重力加速度，m/s2；d—管内径，m；Gs—颗粒的相对密度；δ—液体的相对密度。

顶进过程中应加强对顶管的监测，每隔30cm对顶管进行测量，如顶管发生偏移应及时进行纠偏；由于顶进过程中顶推力和刀盘前方的水土压力相互平衡，若控制不当容易发生地面塌陷或隆起，因此还应该加强地面沉降的测量及变形情况，同时观测后座墙的变形和位移情况，确保顶进过程安全顺利。

3 技术优势探讨

前文主要描述了泥水平衡式顶管技术在水利工程的应用及关键点的施工工艺，经过在该水利工程中的有效实践，得出顶管技术在水利工程特别是地形条件比较复杂的水利工程项目中，主要具有如下优势：

(1)能够有效克服地形地势，摆脱山区地貌局限性。我国大部分水利工程的施工地点均位于地势不平的山区，采用传统水渠开挖方法不仅施工难度大，且会浪费大量的财力与人力，导致工程成本提高。

(2)工期短。采用原临近地区水利工程开挖法建设的水利工程工期较长，而采用顶管施工则能够快速完成水利工程建设，大大缩短工程建设周期，为工程整体的其他紧急项目带来了极大的便利。

(3)顶管技术可以减少水利工程对周围环境的影响，特别是对地面交通的影响，避免了地面交通疏导工作，节约了工程成本。

4 结论

本文介绍了泥水平衡式顶管机在某水利工程引水隧洞中的应用，着重于工作井施工、顶进施工及工程技术优势三个方面。工程实践表明泥水平衡式顶管机适应性强、顶进速度快，能在工程地质条件复杂的地方施工，在水利工程施工中取得了很好的效果；且采用顶管施工能减少对周围环境的影响，节约工程成本。但要注意在顶管施工中应加强施工时的监测，及时进行顶进纠偏，同时控制顶进速率，防止地面沉降或塌陷；施工中产生的泥浆也要进行专门处理，尽量循环利用，减少对环境产生的破坏。